Штанговые скважинный насосные установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Введение

Из механизированных способов добычи нефти наибольшее распространение получили штанговые скважинный насосные установки (ШСНУ). Этому способствовали конструктивная простота, недефицитность и дешевизна применяемых при их изготовлении материалов, высокая надежность и неприхотливость в обслуживании. На нефтяных промыслах отрасли основной фонд скважин эксплуатируется насосным способом, в том числе почти три четверти - штанговыми скважинными насосными установками.

Такое широкое распространение эксплуатации скважин штанговыми установками объясняется тем, что этот способ наиболее экономичный и гибкий в отношении регулирования отбора жидкости.

К преимуществам ШСНУ относится:

- простота конструкции;

- простота обслуживания и ремонта в промысловых условиях;

- удобство регулировки;

-возможность обслуживания установки работниками низкой квалификации;

малое влияние на работу ШСНУ физико-химических свойств откачиваемой жидкости;

- высокий КПД;

- возможность эксплуатации скважин малых диаметров.

Различие нефтяных скважин по объему продукции и требуемой высоте ее подъема определяет необходимость иметь размерный ряд по мощности штанговых насосных установок. Разнообразие профилей скважин, состава продукции обусловливает необходимость иметь несколько конструктивных вариантов внутрискважинных элементов оборудования, наиболее приспособленных к условиям эксплуатации, и варианты исполнения этих элементов оборудования, соприкасающихся с продукцией, так же и по применяемым материалам, с тем чтобы обеспечить их наибольшую износостойкость, коррозионную стойкость и коррозионно-усталостную прочность в условиях воздействия различных сред.

Все виды ШСНУ включают три главные взаимосвязанные части: привод, устанавливаемый у устья скважины; плунжерный насос, располагаемый в глубине скважины, и колонну насосных штанг, присоединяемую к приводу, сообщающему подвижной части насоса возвратно-поступательное движение, и этим приводящую его в действие.

В качестве привода ШСНУ в нашей стране и за рубежом наиболее широко применяются балансирные станки-качалки, состоящие из редуктора и сдвоенного четырехзвенного шарнирного механизма, преобразующего вращательное движение кривошипов в поступательное движение балансира, к дуге головки которого с помощью гибкого звена -- канатной подвески -- подсоединен устьевой шток с прикрепленной к нему колонной насосных штанг.

Широкому распространению станков-качалок способствовала их высокая надежность.

Станок-качалка представляет собой механизм с одной степенью свободы. Поэтому при использовании в нем наиболее простого вида двигателя -- асинхронного короткозамкнутого электродвигателя-- закон движения балансира и связанной с ним верхней части колонны насосных штанг всегда определяется кинематическими параметрами станка-качалки: длиной хода полированного штока, числом двойных ходов в минуту, длинами и взаимным расположением подвижных и неподвижных звеньев.

В станке-качалке предусмотрено уравновешивание усилий с помощью противовесов, что обеспечивает относительно равномерную загрузку электродвигателя в течение всего цикла работы установки -- электродвигатель потребляет энергию из сети не только во время подъема штанг с жидкостью, но и при движении штанг вниз. Это позволяет использовать в С К электродвигатель существенно меньшей мощности, чем при отсутствии уравновешивания.

При увеличении размеров звеньев механизма станка-качалки, как правило, снижаются усилия в точке подвеса штанг, нагрузки на звенья и шарниры станка-качалки и повышается степень совершенства его уравновешивания, что способствует увеличению срока службы подшипниковых узлов и снижению расхода электроэнергии. Однако при этом увеличиваются габариты и масса СК. Снижение усилий в точке подвеса штанг способствует уменьшению частоты их отказов (обрывов).

1. Анализ тенденций развития и постановка задачи проектирования

1.1 Анализ функционального назначения станков-качалок

скважинный насосный установка качалка

В основу способа эксплуатации скважины с помощью насоса с механическим приводом положено использование насоса, который спускается в скважину и приводится в действие приводом, расположенным на поверхности. Данный комплекс оборудования называют штанговой насосной скважинной установкой (ШСНУ)

Область применения ШСНУ, как правило, в большинстве случаев соответствует подаче до 30, реже 50 м3/сут при глубинах подвески 1000--1500 м. В отдельных случаях ШСНУ могут использоваться при подвесках скважинного насоса до 3500 м или же в неглубоких скважинах с дебитом до 200 м3/сут.

Широкое распространение ШСНУ обусловлено прежде всего применением скважинного насоса объемного типа, что обеспечивает:

-возможность отбора пластовой жидкости от долей до сотен кубических метров в сутки при приемлемых энергетических затратах;

-простоту обслуживания и ремонта в промысловых условиях;

-малое влияние (по сравнению с другими способами) на работу установки физико-химических свойств жидкости;

-низкие требования к квалификации обслуживающего персонала.

Перемещение СК осуществляется отдельными сборочными единицами при помощи автомобильного, железнодорожного и водного транспорта.

Штанговая скважинная насосная установка состоит из наземного и подземного оборудования.

Установка состоит из привода, колонны насосных штанг, скважинного насоса, вспомогательного подземного оборудования, колонны насосно-компрессорных труб.

Привод предназначен для преобразования энергии двигателя в возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг.

Колонна насосных штанг -- стержень для передачи механической энергии от привода к скважинному насосу, который преобразует механическую энергию движущихся штанг в механическую энергию откачиваемой жидкости, поступающей из продуктивного пласта, через вспомогательное подземное оборудование. Комплект этого оборудования обусловлен индивидуальными особенностями каждой скважины: в него могут входить якорь, фиксирующий колонну, газовые и песочные якоря для отделения жидкости от песка и газа перед подачей на прием насоса. Из насоса жидкость поступает в колонну насосно-компрессорных труб, по которым она поднимается на поверхность. Далее в зависимости от промысловой системы сбора жидкость либо направляется во вспомогательное наземное оборудование для отделения газа, либо в насосную станцию для перекачки в пункты первичной обработки нефти.

В зависимости от условий эксплуатации, конструкции скважин, свойств откачиваемой жидкости основные элементы ШСНУ могут иметь различное конструктивное исполнение.

В большинстве ШСНУ (Рисунок 1) в качестве привода применяют балансирные станки-качалки, которые состоят из рамы (2), установленной на массивном фундаменте. На раме смонтирована стойка (9), на которой с помощью шарнира укреплен балансир (10) с головкой (12) на одном конце и на другом груз (8) с шарниром, соединяющим балансир с шатуном (7). Шатун соединен с грузом (6) и кривошипом (5), укрепленным на выходном валу редуктора. Входной вал редуктора посредством клиноременной передачи (4) соединен с электродвигателем (3). Головка балансира соединена с колонной штанг канатной подвеской (13). Колонна насосных штанг соединяет канатную подвеску насоса с его плунжером. Колонна собирается из отдельных штанг (18). Штанги длиной по 8--10 м и диаметром 16--25 мм соединяются друг с другом муфтами (23). Первая, верхняя, штанга (14) имеет поверхность, обработанную по высокому классу чистоты, и называется устьевым штоком. Колонна насосно-компрессорных труб служит для подъема пластовой жидкости на поверхность и соединяет оборудование устья с цилиндром скважинного насоса. Она составлена из труб (17) длиной по 8--12 м, диаметром 38--100 мм, соединенных трубными муфтами (22). В верхней части колонны установлен устьевой сальник (21), герметизирующий насосно-компрессорные трубы. Через него пропущен устьевой шток.

Рисунок 1 - Скважинная штанговая насосная установка.

Оборудование устья (15) скважины имеет отвод, по которому откачиваемая жидкость направляется в промысловую сеть.

Штанговый скважинный насос (19) -- насос одинарного действия состоит из цилиндра (24), прикрепленного к колонне насосно-компрессорных труб, плунжера (25), соединенного с колонной штанг. Нагнетательный клапан (26) установлен на плунжере, а всасывающий (27) -- в нижней части цилиндра.

Ниже насоса при необходимости устанавливается газовый (20) или песочный якорь. В них газ и песок отделяются от пластовой жидкости. Газ направляется в затрубное пространство между насосно-компрессорной (17) и эксплуатационной (16) колоннами, а песок осаждается в корпусе якоря.

При работе ШСНУ энергия от электродвигателя передается через редуктор к кривошипно-шатунному механизму, преобразующему вращательное движение выходного вала редуктора через балансир в возвратно-поступательное движение колонны штанг. Связанный с колонной плунжер также совершает возвратно-поступательное движение. При ходе плунжера вверх нагнетательный клапан закрыт давлением жидкости, находящейся над плунжером, и столб жидкости в колонне насосно-компрессорных труб движется вверх -- происходит ее откачивание. В это время впускной всасывающий клапан открывается, и жидкость заполняет объем цилиндра насоса под плунжером.

При ходе плунжера вниз всасывающий клапан под давлением столба жидкости закрывается, нагнетательный клапан открывается, и жидкость перетекает в надплунжерное пространство цилиндра.

Откачиваемая жидкость направляется из колонны через боковой отвод устьевого сальника и подается в промысловый коллектор.

1.2 Анализ условий эксплуатации и причин отказов станков-качалок.

Район функционирования оборудования расположен к северу от Северного Полярного круга, т.е. в заполярной зоне Европейского севера и характеризуется природными условиями, присущими Заполярью. Климат суровый, зима длится с октября до мая, зимы многоснежные, температура зимой достигает до - 45 градусов, лето прохладное.

Южные районы деятельности находятся в лесотундровой полосе. В северных районах простирается безлесная тундра.

Климат влияет на тепловой режим агрегатов и оборудования, коррозионную активность окружающей среды, трудоемкость и качество технического обслуживания и ремонта. При эксплуатации в условиях низких температур возникает опасность разрушения металлоконструкций и деталей механизмов, вызванная повышением хрупкости материалов, выхода из строя устройств для осушения сжатого воздуха и удаления жидкого конденсата, систем управления. В результате преждевременного разрушения или изменения свойств материалов уплотнений, шлангов нарушается работа систем смазки, что вызывает интенсивный износ деталей механизмов.

Надежность оборудования обеспечивается рационально выбранной кинематической схемой и конструкцией узлов, применением прогрессивных технологических процессов изготовления, правильно организованной системой эксплуатации и технического обслуживания оборудования.

Надежность станков-качалок зависит от многих факторов: характера и величины нагрузок, материала и конструкции сопряженных деталей, качества изготовления, условий эксплуатации и т.д. Воздействие значительной части этих факторов носит случайный характер (случайные перегрузки, дефекты в металле и т.д.), вследствие чего возникающие отказы также оказываются случайными по своей природе. В результате все величины, используемые при оценке надежности, необходимы для правильной оценки. Таким образом, требования, предъявляемые к современному нефтепромысловому оборудованию, исключительно высокие. Среди них чрезвычайно важным является обеспечения необходимой надежности оборудования.

1.3 Анализ основных параметров

В настоящее время на нефтяных промыслах России эксплуатируется станки-качалки, выпущенные по ГОСТ 5866-56 (таблица 1), ГОСТ 5866-66 (таблица 2), ГОСТ 5866-76 (таблица 3), ОСТ 26-16-08-87 (таблица 4) и румынские станки-качалки (таблица 5).

В восточных нефтяных районах наибольшее распространение получил станок-качалка СКН5-3015, выпущенный по старому нормальному ряду. Условное обозначение СКН5-3015 расшифровывается следующим образом: станок-качалка нормального ряда грузоподъемностью 5 т; максимальная длина хода устьевого штока 30 дм, максимальное число качаний балансира в минуту 15.

Разработанный в 1966 г. новый размерный ряд учитывал унификацию составных элементов станков-качалок, предусматривая максимальное использование существующих узлов с тем, чтобы эксплуатирующиеся и изготовляемые по новому размерному ряду станки-качалки снабжались одними и теми же быстроизнашивающимися узлами.

ГОСТ 5866-66 предусматривал выпуск 20 типоразмеров станков-качалок, базирующихся на девяти моделях. Однако из этого нормального ряда выпускались и получили распространение лишь девять типоразмеров СК.

Условное обозначение 7СК12-2,5-4000 расшифровывается следующим образом: станок-качалка седьмой модели грузоподъемностью 12 т. с максимальной длиной хода полированного штока 2,5 м и с наибольшим допускаемым крутящим моментом на валу редуктора 40 кНм.

По ГОСТ 5866-76 намечалось изготовление станков-качалок тридцати типоразмеров. Каждый тип станка качалки характеризуется максимальным допускаемыми нагрузками на устьевой шток, длиной хода устьевого штока и крутящим моментом на кривошипном валу редуктора. Кроме СК2, СК3 и СК4, все другие станки-качалки имеют по два типоразмера. Все СК имеют ряд общих конструктивных особенностей.

Условное обозначение станка-качалки СК6-2,1-2500 расшифровывается следующим образом: станок-качалка грузоподъемностью 6 т с максимальной длиной хода устьевого штока 2,1 м с номинальным крутящим моментом на валу редуктора 25 кНм.

В табл. 3 приведены наиболее распространенные типоразмеры станков-качалок, выпускаемые по данному стандарту.

По ОСТ 26-16-08--87 изготовляются дезаксиальные станки-качалки шести типоразмеров. Станки-качалки СКД8-3-4000 и СКД12-3-5600 отличаются друг от друга типоразмером редуктора и мощностью электродвигателя, а станки-качалки СКД 10-3,5-5600 и СКД 12-3-5600 -- длиной тела балансира и головкой балансира.

Таблица 1. Техническая характеристика станков-качалок по ГОСТ 5866-56

Таблица 2. Техническая характеристика станков-качалок по ГОСТ 5866-66

Таблица 3. Техническая характеристика станков-качалок по ГОСТ 5866-76

Таблица 4. Техническая характеристика станков-качалок по ГОСТ 26-16-08-87

Таблица 5. Ряд румынских станков-качалок, выпускаемых заводом «Вулкан»

Условное обозначение СКД 12-3,0-5600 расшифровывается следующим образом: станок-качалка дезаксиальная, номинальная нагрузка на устьевой шток 120 кН, максимальная длина хода устьевого штока 3,0 м, номинальный крутящий момент на выходном валу редуктора 56 кНм.

На отечественных промыслах эксплуатируется значительное количество румынских станков-качалок, из которых наиболее распространены UР-7Т, UР-9Т и UР-12Т. Расшифровка обозначения станка-качалки 9Т-2500-3500: максимальная нагрузка на полированный шток 9 т, наибольшая длина хода штанг 2500 мм, допускаемый крутящий момент на выходном валу редуктора 35 кНм .

Для всех станков-качалок отечественного производства характерны следующие особенности.

1.Одинаковое время хода штанг вверх и вниз в аксиальных станках-качалках, разное время -- в дезаксиальных.

2.Все опоры валов и осей механизма СК покоятся на подшипниках качения.

3.Крепление опоры балансира позволяет при по...